实验八 小功率无线收发系统的设计.docx
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实验八小功率无线收发系统的设计
实验八小功率无线收发系统的设计
一、实验目的
1．掌握小功率无线电发射与接收模块基本的工作原理及用应方法；
2．掌握集成数字编码器、译码器的工作原理及应用；
3．学会高频电子仪器的使用方法；
4．了解小功率数字无线收发系统的设计方法。
二、预习要求
1．认真阅读本课题的相关资料及实验教材，写出设计预习报告；
2．复习模拟电子技术，数字电子技术教材及相关材料。
三、实验仪器
1．数字存储示波器一台；
2．DF1731型稳压电源一台；
3．AT5011频谱分析仪；
4．小功率无线收发实验板一套。
四、实验原理
1．无线数据传输系统组成
无线数据传输广泛地运用于车辆监控、设备遥控、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、工业数据采集系统、无线标签、身份识别等领域中。
常见的工作频率有27MHz、315MHz/433MHz和868MHz/915MHz。
该类无线数据传输系统的组成框图由图8-1所示。
图8-1无线数据传输系统组成框图
2．315MHz发射模块
DF无线数据发射模块电路如图8-2所示，它是一个由315MHz的声表面波滤波器和一个三极管构成的三点式振荡电路，另一个三极管用于启动和关闭振荡电路产生ASK调制信号。
图8-2DF无线数据发射模块电路图
DF无线数据发射模块主要技术指标：
通讯方式：
幅度键控ASK；工作频率：
315MHz/433MHz；频率稳定度：
±75KHz；发射功率：
≤500mW；静态电流：
≤0.1uA；发射电流：
3～50uA；工作电压：
DC3～12V。
DF数据发射模块的工作频率为315MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85℃之间变化时，频飘仅为3ppm/℃。
声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。
DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q2，这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。
比如用PT2262编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的输入端即可。
DF数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。
当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦。
当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。
这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。
天线最好选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时受很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少，这点需要开发时注意。
DF数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。
数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。
DF发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响。
DF模块的传输距离与调制信号頻率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。
一般在开阔区最大发射距离约800米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
3．超再生式接模块
超再生式接收模块的电路原理图如图8-3所示。
图8-3DF超再生接收模块的电路图
DF超再生接收模块主要技术指标：
通讯方式：
幅度键控ASK；工作频率：
315MHz/433MHz；频率稳定度：
±200kHz；接收灵敏度：
-106dBm；静态电流：
≤5mA；工作电流：
≤5mA；工作电压：
DC5V；输出方式：
TTL电平。
DF接收模块的工作电压为5伏，静态电流4毫安，它是一种超再生接收电路，接收灵敏度为-105dBm，接收天线最好为25～30厘米的导线，最好能竖立起来。
接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。
这种电路的优点在于：
1）天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线
2）在没有接收到信号时，接收模块的输出端会输出一些随机的信号，这类信号为短暂的针状脉冲，而不像其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形。
3）DF模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。
4）采用带骨架的铜芯电感将频率调整到315MHz后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。
可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。
可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。
另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。
4．超外差式接收模块
超外差式接收模块的灵敏度和可靠性都要优于超再生接收模块。
图8-4是超外差式接收模块的电路图
图8-4超外差式接收模块原理图
超外差式接收模块主要技术指标：
通讯方式：
幅度键控ASK；工作频率：
316.8MHz；频率稳定度：
±75kHz；接收灵敏度：
-102dBm；静态电流：
≤5mA；工作电流：
≤5mA；工作电压：
DC5V。
输出方式：
TTL电平。
超外差式接收模块之所以有如此优异的性能，就是因为它采用的是专用的ASK解调芯片RX3310A。
引脚功能如表8-1。
RX3310A是台湾HMARK公司生产的专门用于幅度键控ASK调制的无线遥控接收集成电路，内含低噪音高频放大、混频器、本机振荡、中频放大器、中频滤波器、比较器等，为一次变频超外差电路，双列18脚宽体贴片封装，主要技术指标如下：
工作频率：
150～450MHz；工作电压：
2.7～6V；工作电流：
2.6mA（3V电源时）；接收灵敏度：
－105dBm（1K数据速率而且天线匹配时）；最高数据速率：
9.6kbps。
表8-1RX3310引脚功能
引脚
功能
引脚
功能
引脚
功能
1、2
本振回路
8
数据输出
14
高放输入
3
滤波器输出
9
休眠控制
15
高放专用地
4
比较器输入A
10
比较器输入C
16
高放输出
5
比较器输入B
11
限幅放大器输入
17
混频输入
6
比较器校准
12
限幅放大器反馈输入
18
电源
7
GND
13
限幅放大器反馈输出
从外接天线接收的信号经C8耦合到L3、C9组成的选频网络进行阻抗变换后输入RX3310的内部高频放大器输入端14脚，经芯片内的高频放大后（增益为15～20dB）的信号再经混频器与本机振荡信号（316.8MHz）混频，产生1.8MHz的中频信号，此中频信号经内部中频放大后由第3脚输出，再进入比较器放大整形，最后数据从第8脚输出。
超外差接收机对天线的阻抗匹配要求较高，要求外接天线的阻抗必须是50欧姆的，否则对接收灵敏度有很大的影响，所以如果用1/4波长的普通导线时应为23厘米最佳，要尽可能减少天线根部到发射模块天线焊接处的引线长度，如果无法减小，可以用特性阻抗50欧姆的射频同轴电缆连接（天线焊点右侧有一个专门的接地焊点）
整个电路的工作过程和原理如下：
首先，射频信号由天线接收后耦合到射频放大器的输入端，进入到射频放大器，RFAMP的信号被放大后从VORF引脚输出；同时，集成电路内部的振荡器OSC也产生高频振荡信号，该信号的频率取决于L1、C1的谐振频率或外接声表面波谐振器的频率。
然后振荡信号从集成电路的内部直接输入到混频器的一个输入端，射频放大器的输出信号又经过C12和L2耦合到混频器的另一个输入端。
混频器MIXER实际上是一个模拟乘法器，输入的两个频率
和
的余弦（或正弦）信号相乘后产生两个频率为（
+
）和（
－
）的新信号，其中频率为（
－
）的信号为中频信号。
虽然混频器输出了两个频率不同的信号，但是这两个信号的频率差别很大，因此，只要用一个低通滤波器就可以把中频信号选出。
而RX3310A中的IFFILTER实际上就是低通滤波器，它选出的信号从FO脚输出后又将被电容C2耦合到内部的限副放大器LIMITER。
限副放大器一方面可以对中频信号进行放大，同时也可以消除一些干扰信号。
限幅放大器输出的是载波频率为（
－
）的ASK信号，该信号被直接输入到ASK解调电路。
ASK解调器是由一个比较器构成的。
比较器的正向输入端CPA和反向输入端CPB分别外接电容C3和C4，由于C4的容量比C3要大的多，所以比较器的反向端电压就是ASK信号的平均值，而正向端电压将随着ASK的幅度变化而变化。
因此，当ASK信号幅度较小时，正向端电压小于平均电压，比较器输出低电压；而当ASK信号幅度较大时，正向端电压大于平均电压，比较器输出高电压，从而实现ASK解调而在输出端输出数据信号。
DF模块还有一种重要的用途就是配合单片机来实现数据通讯，在设计电路时有一定的技巧：
（1）合理的通讯速率，DF数据模块的最大传输数据速率为9.6kbps，一般控制在2.5kbps左右，过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作。
（2）合理的信息码格式。
（3）单片机对接收模块的干扰，单片机模拟PT2262时一般都很正常，然而单片机模拟PT2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰，51系列单片机工作的时候，会产生比较强的电磁辐射，频率范围在9MHz～900MHz，因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度，解决的方法是尽量降低CPU晶体的频率。
测试表明：
在1M晶体的辐射强度，只有12M晶体时的1/3，因此，如果把晶体频率选择在500K以下，可以有效降低CPU的辐射干扰。
另外一个比较好的方法是：
将接收模块通过一个3芯屏蔽电缆（地，+5V，DATA，屏蔽线的地线悬空）将模块引出到离开单片机2米以外，则不管51CPU使用那个频率的晶体，这种干扰就会基本消除。
对于PIC单片机，则没有上述辐射干扰。
还可以改用频点较高的接收频率，如433MHz就可增加遥控距离，或者需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。
比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电，将DF接收板单独用一个78L05供电，单片机的时钟区远离DF接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等。
接收模块和51系列单片机接口时最好做一个隔离电路，能较好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰（图8-5）。
图8-5单片机与无线数据接收模块接口电路
DF接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万用表测试，调试时可用一个发光二极管串接一个3K的电阻来监测DF模块的输出状态。
DF无线数据模块和PT2262/PT2272等专用编解码芯片使用时，只要直接连接即可，传输距离比较理想，一般能达到600米以上，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，一般实用距离在200米以内。
5．PT2262/2272编解码集成电路工作原理：
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。
PT2262为数字编码芯片，一般应用于发射机，PT2272为数字译码芯片，一般应用于接收机。
这两个芯片通过配置最多可以拥有531441个地址码，因此在一定范围内不会造成相互之间的串扰。
PT2262的外观引脚如图8-6所示。
每个引脚的功能如表8-2所示。
图8-6PT2262外观及引脚图
表8-2PT2262管脚说明：
名称
管脚
说明
A0-A11
1~8，10~13
地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”（悬空）
D0-D5
7~8，10~13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（+）
Vss
9
电源负端（-）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效
OSC1
16
震荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定震荡频率
OSC2
15
震荡电阻震荡器输出端
DOUT
17
编码输出端（正常时为低电平）
PT2272的外观引脚如图8-7所示。
每个引脚的功能如表8-3所示。
图8-7PT2272外观及引脚图
表8-3PT2272管脚说明
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8．10-13
地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”（悬空），必须与2262一致，否则不解码
D0-D5
7-8．10-13
地址或数据管脚，当做为数据管脚时，只有在地址吗与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（+）
Vss
9
电源负端（-）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收摸块输出端
OSC1
16
震荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定震荡频率
OSC2
15
震荡电阻震荡输出端
VT
17
解码有效确认输出端（常低），解码有效变成高电平（瞬态）
PT2262和PT2272在使用时，工作频率需要“配对”。
由于它们的工作频率由15、16脚的外接电阻决定，因此该引脚上的电阻阻值的大小应满足表8-4的要求。
表8-4编解码集成电路工作频率的配对
PT2262/2272的地址码和数据码采用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是对应地址（数据）编码引脚的“悬空”，如图8-8所示，其中的α表示芯片的一个振荡周期。
图8-8PT2262/2272的数据编码格式
PT2262/2272在完成数据编码之后要将全部的地址、数据信息进行传输，此时还要将这些信息进行一定的“排序”，这就是PT2262/2272的帧结构，图8-9所示。
PT2262/2272的帧由前部的地址码、中部的数据码以及最后一个帧同步位构成。
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
D3
D2
D1
D0
SYNC
图8-9PT2262/2272的数据帧结构
6．实验电路及其工作原理
实验电路如图8-10和图8-11所示。
发射部分的工作过程如下：
当实验电路板上有按键按下时，U1将对按键信号进行优先编码，将10个开关量转换成对应的4位二进制码，并且在转换编码的同时输出一个发射使能信号“TE”，PT2262就在这TE信号的控制下将优先编码器编好的4位二进制码再次按照PT2262/2272编码规则编码后由315MHz发射模块发射出去。
该电路中的开关S1、S2用来配置发射器的工作地址码。
图8-10发射器电路原理图
接收部分的工作过程如下：
当315MHz接收模块接收到发送器送来的信号后，PT2272将对该信号进行译码，如果接收到的信号中的地址码和自身的地址码设定一致，就将接收到的串行信号解码成原始的4位二进制码，同时输出一个译码完成标志信号“VT”，这个“VT”信号将驱动电路中的四个串联在一起的移位寄存器（74LS164），将接收到的4位二进制码信号锁存下来，最后利用7seg驱动芯片在数码管上显示出来。
图8-11接收器电路原理图
五、实验内容和步骤
1．发射器测试
1）优先编码器测试
测试优先编码器的编码，通过观察发射器上的编码指示LED来获得当前的编码值，在下表中写出优先编码器的编码结果。
按键
输出编码
按键
输出编码
按键
输出编码
D3
D2
D1
D0
D3
D2
D1
D0
D3
D2
D1
D0
K0
K1
K2
K3
K4
K5
K6
K7
K8
K9
K3+K6
K1+K5
2）PT2262编码器输出信号测试
测试在特定地址和编码模式下PT2262的数据帧，看输出波形是否与自己设定的地址和编码能够对应上。
将示波器连接到发射板的DOUT端，观察PT2262输出的脉冲编码值，将编码数据波形记入下表（地址、数据任意设定，至少测三种不同组合）。
测试波形1，地址+数据（）
测试波形2，地址+数据（）
测试波形3，地址+数据（）
注：
此处若画不下波形，请绘制在另行准备的坐标纸上
2．接收器测试
测试315MHz接收模块在发射器没有发射信号时的输出波形。
将示波器连接到接收板的DIN端，观察315MHz接收模块接收到的信号波形。
315MHz接收模块输出波形（发射器未发射信号时）
注：
此处若画不下波形，请绘制在另行准备的坐标纸上
测试发射器在发射时信号时，315MHz接收模块输出的波形，并与比发射器的编码输出信号进行对比。
将示波器的两个通道分别连接到发射板的DOUT端和接收板的DIN端，对比观察着两路信号之间波形的异同。
发射器输出波形（DOUT端）
315MHz接收模块输出波形（DIN端）
注：
此处若画不下波形，请绘制在另行准备的坐标纸上
六、设计实验
1．设计一个简易无线病房呼叫系统。
2．设计要求
1）发射器应具备8～10个按键，病人按动自己病床对应的编号，在接收端有一个数码管显示出病人对应的床号。
2）无线发射与接收采用315MHz无线收发摸块。
3）发射编码与接收编码使用PT2262和PT2272来完成。
4）发射端的键盘优先编码器以接收端的译码锁存器使用74或4000系列集成电路设计。
七、实验报告要求
1．通过对各单元电路的实验，画出各单元电路的框图及各单元电路的输入、输出波形。
2．通过对小功率无线电发射与接收模块实验及对原理图的理解写出其发射与接收的基本原理。
3．画出PT2262编码器一个周期的编码原理图。
4．按设计要求写出设计报告，画出发射器和接收器的电路原理图或系统框图。
八、思考题
1．小功率无线电发射与接收有那些调制解调方式，你在实验中用的是那种调制解调方式。
2．PT2262编码器的地址有几种编码方式。
能编出多少种不同的地址。
3．超再生式接收模块与超外差式接收模块各自优缺点有那些。
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